郭玲莉 劉力強(qiáng) 劉培洵
1)中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,青島 266100
2)中國地震局地質(zhì)研究所,地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029
3)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100
地震的孕育發(fā)生過程是地殼運(yùn)動(dòng)形式之一,一般認(rèn)為地震本質(zhì)是力學(xué)過程,是一個(gè)從緩慢變形向突發(fā)失穩(wěn)轉(zhuǎn)換的過程。臨近地震階段或斷層運(yùn)動(dòng)進(jìn)入“不可逆”階段后的應(yīng)力狀態(tài),一直是研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。地震孕育階段的緩慢遞進(jìn)變形與地震發(fā)生前后的瞬態(tài)應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整在信號(hào)頻段上有很大差別。現(xiàn)場(chǎng)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)有高頻(如地震儀)和低頻(鉆孔應(yīng)變測(cè)量、GPS、InSAR技術(shù)等)2種技術(shù)系統(tǒng),分別用于記錄地震和緩慢變形過程。低頻系統(tǒng)的采樣間隔大多在1d或幾h一個(gè)數(shù)據(jù)的周期上工作,測(cè)量間隔往往大于地震發(fā)生的時(shí)間長度,罕見地震期間的數(shù)據(jù),對(duì)地震前后可能出現(xiàn)的瞬時(shí)高頻應(yīng)力變化信號(hào)記錄不全面(邱澤華等,2004,2010)。高頻系統(tǒng)地震儀的采樣頻率可達(dá)上百Hz,可以清楚記錄到地震過程。但由于低頻性能不夠好,不能與低頻系統(tǒng)在頻帶上構(gòu)成連續(xù)的覆蓋,不足以獲得完整的地震全過程。雖然近年來記錄到一些慢地震現(xiàn)象,但缺乏對(duì)地震發(fā)生過程的完整記錄,尤其缺少從緩慢變形到突發(fā)失穩(wěn)過程轉(zhuǎn)換階段的記錄,是造成難以判斷是否進(jìn)入亞臨界狀態(tài),無法做出臨震預(yù)報(bào)的根本原因。與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)體系類似,在地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中也廣泛使用聲發(fā)射儀(高頻系統(tǒng))與應(yīng)變儀(低頻系統(tǒng))來觀測(cè)樣品的應(yīng)力狀態(tài)。兩者之間,從頻帶上看也有一個(gè)明顯的缺失。聲發(fā)射儀的頻帶一般在2kHz~2MHz,應(yīng)變儀一般在DC~100Hz,缺失100Hz~2kHz頻段,即ms級(jí)別的信號(hào)記錄能力。實(shí)驗(yàn)證明,實(shí)驗(yàn)粘滑失穩(wěn)過程一般持續(xù)約幾百ms,其中高速滑動(dòng)過程為幾十ms,臨界滑動(dòng)或成核過程持續(xù)十幾ms。因此,在這個(gè)頻段上,能以ms間隔記錄變形信號(hào)對(duì)地震模擬實(shí)驗(yàn)非常重要。
地震模擬實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)變測(cè)量是了解實(shí)驗(yàn)樣品在力學(xué)載荷等作用下如何變形、破壞的重要途徑。巖石變形破壞過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變信號(hào)具有很寬的頻譜,從緩慢變形到瞬時(shí)震蕩覆蓋了從DC~MHz的范圍。20世紀(jì)90年代,利用采樣速度為MHz量級(jí)的高速瞬態(tài)記錄儀,研究者對(duì)粘滑的初始滑動(dòng)階段進(jìn)行過觀測(cè),其結(jié)果揭示出斷層失穩(wěn)滑動(dòng)初始階段的復(fù)雜性和不均勻滑動(dòng),為成核相的研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù),確認(rèn)了高頻應(yīng)變信號(hào)的存在和可觀測(cè)性(Andrews et al.,1976;Ohnaka et al.,1986,1999;Okubo et al.,1984,1986;Kato et al.,1996)。然而早期瞬態(tài)記錄儀存在明顯的技術(shù)缺陷,緩沖過小導(dǎo)致只能記錄滑動(dòng)初期幾百μm的變化,分辨率低(8bit)導(dǎo)致不能獲得足夠清晰的信號(hào)。馬瑾等(2007,2008,2012)利用低頻應(yīng)變系統(tǒng)(最高100Hz),使用應(yīng)變場(chǎng)及斷層位移觀測(cè)等手段研究了粘滑失穩(wěn)前兆,獲得了斷層幾何結(jié)構(gòu)與失穩(wěn)類型及前兆特征的關(guān)系;劉力強(qiáng)等(1986,1995),馬勝利等(1995,2003,2008)研究了粘滑前后變形場(chǎng)的時(shí)間和空間變化。但因采樣頻率不足,難以獲得斷層失穩(wěn)滑動(dòng)過程的瞬態(tài)變形信息。近年來,高速光學(xué)測(cè)量技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)中(采樣頻率250kHz,樣長2ms),對(duì)失穩(wěn)滑動(dòng)過程中斷層面的接觸面積、破裂擴(kuò)展速度及應(yīng)變場(chǎng)的形態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)(Fiberge et al.,1999;Rosakis et al.,1999;Rosakis,2002;Ben-David et al.,2010a,b;Mello et al.,2010)。其研究結(jié)果顯示,失穩(wěn)滑動(dòng)并非一次簡單的線性過程,而是可以劃分為幾個(gè)不同的階段;斷層面上的破裂過程也不是均勻的單向擴(kuò)展,而是存在多種模式與不同的擴(kuò)展速度,失穩(wěn)滑動(dòng)過程在時(shí)間上和空間上均表現(xiàn)出復(fù)雜性。
從以往的地震模擬實(shí)驗(yàn)研究可以看出,相對(duì)于失穩(wěn)過程的研究目的而言,以往的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)存在2個(gè)主要缺陷,采樣頻率覆蓋范圍不全和采樣時(shí)長不夠。雖然低頻段記錄系統(tǒng)能夠連續(xù)記錄,但只能獲得緩慢變形過程,不能細(xì)致描述失穩(wěn)過程。雖然高頻段系統(tǒng)速度足夠,但是由于采用瞬態(tài)記錄方式(觸發(fā)記錄短時(shí)信號(hào)),緩沖長度不足,只能記錄失穩(wěn)滑動(dòng)過程中很小的一段。儀器對(duì)信號(hào)范圍覆蓋上的缺失導(dǎo)致了變形逐步積累到突發(fā)釋放的轉(zhuǎn)換過程缺少信息記錄,這對(duì)利用模擬實(shí)驗(yàn)研究地震物理機(jī)制非常不利。為了更好地研究實(shí)驗(yàn)變形失穩(wěn)過程中的應(yīng)變場(chǎng)快速調(diào)整階段和巖石結(jié)構(gòu)破壞過程中的復(fù)雜變形場(chǎng),我們將高速、高分辨率、多通道的應(yīng)變觀測(cè)技術(shù)引入構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn),搭建了用以觀測(cè)瞬態(tài)變形場(chǎng)的多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)(Multi-channel Dynamic Strain Observation System),觀測(cè)斷層失穩(wěn)過程高速滑動(dòng)階段的力學(xué)場(chǎng)時(shí)空變化。利用這套系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了粘滑失穩(wěn)過程中的一些重要現(xiàn)象(郭玲莉等,2012,2014a,b;李普春等,2013),利于從微觀、瞬態(tài)角度認(rèn)識(shí)斷層失穩(wěn)滑動(dòng)的物理本質(zhì)。
本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變片作為傳感器,應(yīng)變片的頻響特性可以按照以下方法計(jì)算(圖1)。在樣品表面上A點(diǎn)粘貼柵長為l的應(yīng)變片,應(yīng)變波長為λ,A點(diǎn)處的真實(shí)應(yīng)變值為:
A點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)量讀數(shù)ˉεA表示應(yīng)變片的輸出,它等于在應(yīng)變片柵長范圍內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)變的平均值:
圖1 應(yīng)變片的頻響特性計(jì)算示意圖Fig.1 The diagram of the frequency response characteristics of strain gauge.
比較上2式可知,用柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變表示柵長中點(diǎn)處的應(yīng)變,將產(chǎn)生誤差,其相對(duì)誤差δ為:
δ與λ/l比值有關(guān),比值越大,誤差越小。當(dāng)λ/l比值為10~20,相對(duì)誤差 <1.6% ~0.4%。波長λ與頻率f之間有以下關(guān)系:
其中,v為應(yīng)變?cè)跇悠飞蟼鞑サ牟ㄋ?,本?shí)驗(yàn)室主要使用花崗閃長巖作為實(shí)驗(yàn)樣品,取應(yīng)變波速為3km/s,λ/l比值選用20,應(yīng)變片柵長5mm,根據(jù)公式可以計(jì)算得到λ值,確定5mm應(yīng)變片的最高頻響為30kHz。以應(yīng)變片作為傳感器,可以滿足瞬態(tài)高頻測(cè)量的需求。
多通道應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)的硬件組成包括高精度電橋箱、電橋激勵(lì)源、數(shù)據(jù)采集器與中心控制器,由3臺(tái)32通道應(yīng)變采集器組成,采集器可獨(dú)立使用,也可以3臺(tái)聯(lián)合使用。為保證聯(lián)合使用時(shí)采樣的同步性,將各個(gè)采集器的最后一個(gè)通道并聯(lián),同時(shí)向其輸入脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)同步對(duì)時(shí)。該應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)93個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高速應(yīng)變測(cè)量,采用連續(xù)記錄方式工作。
工作原理如圖2所示。當(dāng)惠斯登電橋(Wheatstone bridge)中的應(yīng)變片發(fā)生變形時(shí),其電阻值的變化引起電橋輸出端電壓的變化。電壓值經(jīng)過差動(dòng)輸入電橋放大器放大后進(jìn)入主放大器進(jìn)行再次放大,放大后的模擬信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制總線后,依次進(jìn)入數(shù)據(jù)并行接口,通過IEEE1284接口電纜與并行接口(EPP接口),被讀入到PC機(jī)。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理,配準(zhǔn)采樣時(shí)間后,數(shù)據(jù)流導(dǎo)入到硬盤中記錄。
若應(yīng)變信號(hào)零點(diǎn)需要校正,可通過軟件向系統(tǒng)控制總線發(fā)送偏置指令,指令傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器將與指令對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)疊加在主放大器的輸入零點(diǎn),調(diào)整信號(hào)差動(dòng)量調(diào)節(jié)達(dá)到預(yù)期校正效果。差動(dòng)輸入電橋放大器配有1、50、100、200和500倍5級(jí)增益檔位,主放大器配有1、2、4、8、16和32倍6級(jí)增益檔位。因此,可以從這2級(jí)增益的配比中獲得30種以上的放大范圍,適應(yīng)不同的靈敏度需求。主放大器增益可以通過軟件指令動(dòng)態(tài)改變。
圖2 多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)工作原理流程圖Fig.2 The working principle diagram of the dynamic strain observation system.
在保證信號(hào)不失真的情況下,壓制電橋箱的噪聲和提高系統(tǒng)頻率上限是本系統(tǒng)研發(fā)的難題。對(duì)高精度直流電橋的激勵(lì)電源,采用了隔離電源與強(qiáng)濾波技術(shù),使供給電橋的電源紋波噪聲<100μV。橋臂電阻選用溫度漂移系數(shù)<5ppm的電阻,具有高溫度穩(wěn)定性。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用了專用的低噪聲電路設(shè)計(jì),選用高分辨率的16Bit分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器,3.4kHz采樣速度的均方差噪聲≯2LSB。
多通道高頻連續(xù)應(yīng)變測(cè)量在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),若本系統(tǒng)96通道以3.4kHz速度采集應(yīng)變信號(hào),則每秒鐘產(chǎn)生約650kBytes數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)能順利存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各個(gè)通道的應(yīng)變狀態(tài),系統(tǒng)軟件采用了雙線程工作方式。采集線程在后臺(tái)負(fù)責(zé)管理模數(shù)轉(zhuǎn)換,收集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。顯示對(duì)話線程在前臺(tái)實(shí)時(shí)繪制應(yīng)變時(shí)間過程曲線,隨時(shí)響應(yīng)用戶的指令。
在上述軟件與硬件技術(shù)的支持之下,為實(shí)驗(yàn)室應(yīng)變測(cè)量提供了一個(gè)多通道高速高分辨率的連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)。與以往相比,這個(gè)系統(tǒng)具有更高的采樣頻率,在高頻下具有更低的噪聲、更低的漂移與更好的穩(wěn)定性。因此可以滿足ms級(jí)別范圍的應(yīng)變觀測(cè)需求。
雙剪斷層模型的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本由3塊房山花崗閃長巖組成,中部滑動(dòng)巖塊尺寸為350mm×100mm×50mm,兩側(cè)固定巖塊尺寸為300mm×50mm×50mm。3塊巖石樣品形成2個(gè)滑動(dòng)面(圖3a),在中部巖塊一側(cè)斷層上布設(shè)10組30個(gè)應(yīng)變片,應(yīng)變片尺寸為3mm×5mm,每3個(gè)應(yīng)變片組成應(yīng)變花,監(jiān)測(cè)斷層帶附近應(yīng)變變化過程。實(shí)驗(yàn)時(shí),在X方向?qū)悠肥┘觽?cè)向壓力Fn,當(dāng)Fn達(dá)到35MPa后保持恒定;以1μm/s位移速率推動(dòng)中部端塊,使得剪應(yīng)力Fs逐漸增加,并逐漸產(chǎn)生粘滑失穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)加載曲線如圖3b所示。
圖3 雙剪粘滑實(shí)驗(yàn)布局及斷層失穩(wěn)滑動(dòng)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變變化Fig.3 Configuration of the test sample and strain gauges distribution,and the stress and strain curve during the unstable sliding process.
以第3次粘滑失穩(wěn)事件為例(圖3b中箭頭所示,t=5 253.5s),其剪應(yīng)力降放大曲線顯示的應(yīng)力降過程如圖3c所示,在失穩(wěn)滑動(dòng)的瞬間,應(yīng)力降呈現(xiàn)非線性變化,限于目前的觀測(cè)精度(10Hz采樣頻率),還不清楚應(yīng)力降過程的細(xì)節(jié)。同時(shí),高頻應(yīng)變場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)所記錄的斷層附近應(yīng)變變化曲線如圖3d所示,在應(yīng)力降過程中,應(yīng)變變化不是簡單的線性下降,而是表現(xiàn)為復(fù)雜的變形過程,近斷層帶的應(yīng)變包含有復(fù)雜的頻率成分,擺動(dòng)幅度很大,同時(shí)又表現(xiàn)出規(guī)則清晰的階段遞進(jìn)特征(圖3d,e)。整體上看瞬態(tài)滑動(dòng)過程表現(xiàn)為3個(gè)階段:Ⅰ預(yù)滑動(dòng)階段,Ⅱ高頻應(yīng)變震蕩階段,Ⅲ低頻調(diào)整止滑階段(圖3d,3e)。每個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間、應(yīng)變速率、頻率特性、振幅等都具有自身特點(diǎn)。Ⅰ預(yù)滑動(dòng)階段:預(yù)滑持續(xù)時(shí)間約為150ms,預(yù)滑動(dòng)階段后期,應(yīng)變速率明顯加快,最大預(yù)滑量約80με。Ⅱ高頻應(yīng)變震蕩階段(圖3 e):持續(xù)時(shí)間約70ms,振蕩周期約25個(gè)周期,最大振幅170με,主頻為300~400Hz,該頻段屬于人耳可識(shí)別的聲頻范圍,正是該信號(hào)讓人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室“聽”到粘滑,感到“地震”。Ⅲ低頻振蕩調(diào)整止滑階段:這一階段斷層上的滑動(dòng)結(jié)束,應(yīng)變開始在各個(gè)部位進(jìn)行調(diào)整至滑動(dòng)停止,持續(xù)時(shí)間約800ms,一般調(diào)整1~2個(gè)周期。第1個(gè)周期振幅較大,約250με,第2周期振幅明顯變小,以致逐漸趨于停止。
使用高頻應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)可以獲得粘滑失穩(wěn)過程中更豐富的細(xì)節(jié),為進(jìn)一步研究斷層失穩(wěn)瞬態(tài)過程及可能的物理機(jī)制提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。
實(shí)驗(yàn)樣品為房山花崗閃長巖制作。樣品尺寸200mm×135mm×35mm(圖4a)。樣品上預(yù)制2條弧形裂紋,其長度為33mm,裂紋與加載方向的夾角為30°。2個(gè)裂紋連線與水平方向的夾角為90°。預(yù)制裂紋用石膏充填。裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)在單軸實(shí)驗(yàn)加載機(jī)上進(jìn)行,加載速率0.1kN/s。
裂紋擴(kuò)展至樣品崩垮階段的應(yīng)變曲線如圖4b所示,該階段持續(xù)時(shí)間為0.1s。各處應(yīng)變急劇變化后,斷層開始擴(kuò)展,在某些區(qū)域應(yīng)變集中,并逐步產(chǎn)生微裂紋,這些微裂紋互相貫通,使得斷層得以擴(kuò)展。具體的變化過程如下。
端部的Ch-1和Ch-2的應(yīng)變首先開始加速變化,特別是Ch-2由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換為拉張,巖橋區(qū)中部Ch-13的應(yīng)變值以更高的應(yīng)變速率急劇增加使得應(yīng)變片張裂,說明裂紋首先在此處產(chǎn)生,接著Ch-1位置破裂。10ms后Ch-2由拉張狀態(tài)突然變?yōu)閴嚎s狀態(tài),同時(shí)Ch-8加速壓縮,此后巖橋區(qū)中部Ch-12拉張破裂,使得Ch-8,Ch-9,Ch-10壓縮應(yīng)變能釋放,產(chǎn)生翼裂紋。而Ch-9和Ch-10應(yīng)變突變?yōu)槔瓘?,同時(shí)Ch-8再次壓縮。樣品背面的橫向應(yīng)變(Ch-26)急劇上升,破裂,表示巖橋區(qū)的裂紋中部貫通到底部。斷層擴(kuò)展完成。經(jīng)歷了一個(gè)20ms的相對(duì)“穩(wěn)定期”,隨著繼續(xù)加載,樣品開始滑動(dòng),Ch-8、Ch-9、Ch-10隨載荷加載波動(dòng)?;瑒?dòng)順序?yàn)?裂紋穿過Ch-3,通過預(yù)制裂紋,傳向Ch-9,Ch-10,Ch-11促使應(yīng)變釋放,2ms后滑向Ch-14位置應(yīng)變釋放,然后移向Ch-20位置直至樣品底部。樣品從斷層擴(kuò)展貫通到樣品崩垮之間存在一個(gè)短暫的穩(wěn)定期。
高頻應(yīng)變系統(tǒng)可以提供各個(gè)位置ms級(jí)的應(yīng)變變化及裂紋擴(kuò)展時(shí)序,可以通過瞬態(tài)應(yīng)變信息區(qū)分出斷層擴(kuò)展和斷層失穩(wěn)過程,記錄到的應(yīng)變信息可以獲得如下幾點(diǎn)啟示:1)裂紋擴(kuò)展與樣品崩垮之間存在一個(gè)穩(wěn)定期(持續(xù)時(shí)間約20ms)。裂紋擴(kuò)展完成,樣品應(yīng)變狀態(tài)調(diào)整到一個(gè)新的平衡狀態(tài),隨著壓機(jī)對(duì)樣品繼續(xù)加載,使得擴(kuò)展后的樣品更容易崩垮破裂,在短暫的平靜期之后,樣品失穩(wěn)。2)巖橋區(qū)裂紋貫通是一個(gè)快速過程(約40ms),且發(fā)生在最后時(shí)刻。3)巖橋區(qū)裂紋貫通不是一個(gè)連續(xù)線性過程,而是先多點(diǎn)同時(shí)擴(kuò)展,并逐漸連接直至互相貫通。
圖4 裂紋擴(kuò)展過程的應(yīng)變響應(yīng)曲線及相應(yīng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 The strain response curves of crack propagation process and the corresponding strain gauges distribution.
(1)多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)成功填補(bǔ)了在地震模擬與巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變觀測(cè)頻帶的空缺,可以獲得高密度、高精度的動(dòng)態(tài)應(yīng)變場(chǎng),研究瞬態(tài)應(yīng)變場(chǎng)演化與應(yīng)變波時(shí)空過程,為理解從緩慢遞進(jìn)變形到突發(fā)失穩(wěn)釋放過程提供了技術(shù)支持。
(2)利用多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng),第1次觀測(cè)到了失穩(wěn)滑動(dòng)過程中的高頻應(yīng)變震顫現(xiàn)象,震顫過程分為預(yù)滑、高頻振蕩與調(diào)整止滑3個(gè)階段,震顫特征與構(gòu)造部位密切相關(guān)。該頻段的應(yīng)變觀測(cè)為地震模擬實(shí)驗(yàn)研究開辟了新的視野,應(yīng)當(dāng)開展失穩(wěn)階段的瞬時(shí)變形過程研究。
多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)不僅限于應(yīng)變觀測(cè)。在配裝了其他傳感器與二次儀表之后,它可用于速度、位移及電磁電位的多點(diǎn)中頻信號(hào)觀測(cè),前期嘗試性實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)獲得了相應(yīng)的成果,這使構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)多物理量觀測(cè)和對(duì)比分析成為可能,接下來我們希望對(duì)這一成果進(jìn)行深入分析,開展多物理量的瞬態(tài)失穩(wěn)場(chǎng)觀測(cè)與分析,從多方位了解地震失穩(wěn)和巖石破裂過程的詳細(xì)信息。
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